Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ hạn chế cho CSS. Để có được trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật hơn (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi đang hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Chúng tôi báo cáo hiệu ứng quang điện đáng chú ý trong gốm YBa2Cu3O6.96 (YBCO) trong khoảng từ 50 đến 300 K gây ra bởi sự chiếu sáng bằng tia laser xanh, liên quan trực tiếp đến tính siêu dẫn của YBCO và giao diện điện cực kim loại YBCO. Có sự đảo ngược cực tính của điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc khi YBCO trải qua quá trình chuyển đổi từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái điện trở. Chúng tôi chứng minh rằng tồn tại một điện thế trên bề mặt kim loại thông thường-siêu dẫn, cung cấp lực phân tách cho các cặp lỗ electron-lỗ trống cảm ứng ảnh. Điện thế bề mặt này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi YBCO trở nên không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể dễ dàng liên quan đến hiệu ứng lân cận tại bề mặt phân cách siêu dẫn kim loại khi YBCO là chất siêu dẫn và giá trị của nó được ước tính là ~10–8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2. Sự kết hợp của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n Ag-paste tạo thành một điểm nối gần như pn chịu trách nhiệm cho hoạt động quang điện của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Phát hiện của chúng tôi có thể mở đường cho các ứng dụng mới của thiết bị điện tử photon và làm sáng tỏ thêm về hiệu ứng lân cận tại giao diện kim loại siêu dẫn.
Điện áp cảm ứng ảnh trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã được báo cáo vào đầu những năm 1990 và được nghiên cứu rộng rãi kể từ đó, tuy nhiên bản chất và cơ chế của nó vẫn chưa được giải quyết1,2,3,4,5. Đặc biệt, màng mỏng YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 được nghiên cứu chuyên sâu ở dạng tế bào quang điện (PV) do khoảng cách năng lượng có thể điều chỉnh được9,10,11,12,13. Tuy nhiên, điện trở cao của chất nền luôn dẫn đến hiệu suất chuyển đổi của thiết bị thấp và che đi các đặc tính quang điện chính của YBCO8. Ở đây chúng tôi báo cáo hiệu ứng quang điện đáng chú ý gây ra bởi sự chiếu sáng bằng tia laser xanh (λ = 450nm) trong gốm YBa2Cu3O6.96 (YBCO) trong khoảng từ 50 đến 300 K (Tc ~ 90 K). Chúng tôi cho thấy hiệu ứng PV có liên quan trực tiếp đến tính siêu dẫn của YBCO và bản chất của giao diện điện cực kim loại YBCO. Có sự đảo ngược cực tính của điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc khi YBCO trải qua quá trình chuyển từ pha siêu dẫn sang trạng thái điện trở. Người ta đề xuất rằng tồn tại một điện thế trên bề mặt kim loại thông thường-siêu dẫn, cung cấp lực phân tách cho các cặp lỗ electron-lỗ trống cảm ứng ảnh. Điện thế bề mặt này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi mẫu trở nên không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể liên quan một cách tự nhiên với hiệu ứng lân cận14,15,16,17 tại giao diện chất siêu dẫn kim loại khi YBCO siêu dẫn và giá trị của nó được ước tính là ~ 10−8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW /cm2. Sự kết hợp của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n tạo thành Ag-paste, rất có thể, một điểm nối gần như pn chịu trách nhiệm cho hoạt động PV của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Các quan sát của chúng tôi đã làm sáng tỏ hơn về nguồn gốc của hiệu ứng PV trong gốm YBCO siêu dẫn nhiệt độ cao và mở đường cho ứng dụng của nó trong các thiết bị quang điện tử như máy dò ánh sáng thụ động nhanh, v.v.
Hình 1a cách c cho thấy các đặc tính IV của mẫu gốm YBCO ở 50 K. Nếu không có ánh sáng chiếu vào, điện áp trên mẫu vẫn bằng 0 khi dòng điện thay đổi, như có thể mong đợi từ vật liệu siêu dẫn. Hiệu ứng quang điện rõ ràng xuất hiện khi chùm tia laser hướng vào cực âm (Hình 1a): đường cong IV song song với trục I di chuyển xuống dưới với cường độ tia laser ngày càng tăng. Rõ ràng là có một điện áp cảm ứng âm ngay cả khi không có dòng điện nào (thường gọi là điện áp hở mạch Voc). Độ dốc bằng 0 của đường cong IV cho thấy mẫu vẫn siêu dẫn dưới ánh sáng laser.
(a–c) và 300 K (e–g). Giá trị của V(I) thu được bằng cách quét dòng điện từ −10 mA đến +10 mA trong chân không. Chỉ một phần dữ liệu thử nghiệm được trình bày để làm rõ. a, Đặc tính dòng điện-điện áp của YBCO được đo bằng điểm laser đặt ở cực âm (i). Tất cả các đường cong IV đều là các đường thẳng nằm ngang cho thấy mẫu vẫn siêu dẫn khi chiếu xạ laser. Đường cong di chuyển xuống với cường độ laser ngày càng tăng, cho thấy tồn tại một điện thế âm (Voc) giữa hai đạo trình điện áp ngay cả khi có dòng điện bằng 0. Đường cong IV không thay đổi khi tia laser hướng vào tâm mẫu ở ether 50 K (b) hoặc 300 K (f). Đường ngang di chuyển lên khi cực dương được chiếu sáng (c). Một mô hình sơ đồ của điểm nối siêu dẫn kim loại ở 50 K được thể hiện trong hình d. Đặc tính dòng điện của trạng thái bình thường YBCO ở 300 K được đo bằng chùm tia laser hướng vào cực âm và cực dương lần lượt được tính bằng e và g. Ngược lại với kết quả ở 50 K, độ dốc khác 0 của các đường thẳng cho thấy YBCO ở trạng thái bình thường; các giá trị của Voc thay đổi theo cường độ ánh sáng theo hướng ngược lại, biểu thị cơ chế phân tách điện tích khác. Cấu trúc giao diện có thể có ở 300 K được mô tả trong hj Hình ảnh thực của mẫu có dây dẫn.
YBCO giàu oxy ở trạng thái siêu dẫn có thể hấp thụ gần như toàn bộ phổ ánh sáng mặt trời do khoảng cách năng lượng rất nhỏ (Eg)9,10, từ đó tạo ra các cặp electron-lỗ trống (e–h). Để tạo ra điện áp mạch hở Voc bằng cách hấp thụ các photon, cần phải phân tách không gian các cặp eh được tạo ra bằng ảnh trước khi tái hợp xảy ra18. Voc âm, so với cực âm và cực dương như được chỉ ra trong Hình 1i, cho thấy rằng tồn tại một điện thế trên giao diện chất siêu dẫn kim loại, quét các electron đến cực dương và lỗ trống đến cực âm. Nếu đúng như vậy thì cũng phải có một điện thế hướng từ chất siêu dẫn đến điện cực kim loại ở cực dương. Do đó, sẽ thu được Voc dương nếu vùng mẫu gần cực dương được chiếu sáng. Hơn nữa, sẽ không có điện áp cảm ứng ảnh khi điểm laser hướng vào các khu vực cách xa các điện cực. Đó chắc chắn là trường hợp như có thể thấy trong Hình 1b, c!.
Khi điểm sáng di chuyển từ điện cực catốt đến tâm mẫu (cách các giao diện khoảng 1,25 mm), không thể quan sát thấy sự biến đổi của đường cong IV và không thể quan sát thấy Voc khi tăng cường độ laser lên giá trị tối đa có sẵn (Hình 1b) . Đương nhiên, kết quả này có thể được cho là do thời gian tồn tại hạn chế của các chất mang cảm ứng ảnh và thiếu lực phân tách trong mẫu. Các cặp lỗ electron có thể được tạo ra bất cứ khi nào mẫu được chiếu sáng, nhưng hầu hết các cặp e-h sẽ bị hủy và không quan sát thấy hiệu ứng quang điện nếu vết laser rơi vào các khu vực cách xa bất kỳ điện cực nào. Di chuyển điểm laser đến các điện cực anốt, đường cong IV song song với trục I di chuyển lên trên với cường độ laser ngày càng tăng (Hình 1c). Điện trường tích hợp tương tự tồn tại trong điểm nối siêu dẫn kim loại ở cực dương. Tuy nhiên, lần này điện cực kim loại kết nối với dây dẫn dương của hệ thống thử nghiệm. Các lỗ do tia laser tạo ra được đẩy tới cực dương và do đó quan sát thấy Voc dương. Các kết quả được trình bày ở đây cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng thực sự tồn tại một thế năng bề mặt hướng từ chất siêu dẫn đến điện cực kim loại.
Hiệu ứng quang điện trong gốm YBa2Cu3O6.96 ở 300 K được thể hiện trong hình 1e–g. Khi không có ánh sáng chiếu vào, đường IV của mẫu là đường thẳng cắt gốc tọa độ. Đường thẳng này di chuyển lên trên song song với đường thẳng ban đầu với cường độ tia laser chiếu xạ tăng dần ở các cực âm (Hình 1e). Có hai trường hợp quan tâm giới hạn đối với thiết bị quang điện. Tình trạng ngắn mạch xảy ra khi V = 0. Dòng điện trong trường hợp này được gọi là dòng điện ngắn mạch (Isc). Trường hợp giới hạn thứ hai là tình trạng mạch hở (Voc) xảy ra khi R→∞ hoặc dòng điện bằng 0. Hình 1e cho thấy rõ Voc dương và tăng khi cường độ ánh sáng tăng dần, trái ngược với kết quả thu được ở 50 K; trong khi Isc âm được quan sát thấy tăng cường độ khi chiếu sáng, một đặc tính điển hình của pin mặt trời thông thường.
Tương tự, khi chùm tia laser hướng vào các khu vực cách xa các điện cực, đường cong V (I) không phụ thuộc vào cường độ tia laser và không xuất hiện hiệu ứng quang điện (Hình 1f). Tương tự như phép đo ở 50 K, các đường cong IV di chuyển sang hướng ngược lại khi điện cực anode được chiếu xạ (Hình 1g). Tất cả các kết quả thu được đối với hệ thống dán YBCO-Ag này ở 300 K với tia laser được chiếu xạ ở các vị trí khác nhau của mẫu đều phù hợp với tiềm năng giao diện đối lập với tiềm năng quan sát được ở 50 K.
Hầu hết các electron ngưng tụ thành cặp Cooper trong chất siêu dẫn YBCO dưới nhiệt độ chuyển tiếp Tc của nó. Khi ở trong điện cực kim loại, tất cả các electron vẫn ở dạng số ít. Có một gradient mật độ lớn cho cả các electron đơn lẻ và cặp Cooper trong vùng lân cận của bề mặt phân cách chất siêu dẫn kim loại. Các electron đơn lẻ mang đa số trong vật liệu kim loại sẽ khuếch tán vào vùng siêu dẫn, trong khi các cặp Cooper mang đa số trong vùng YBCO sẽ khuếch tán vào vùng kim loại. Khi các cặp Cooper mang nhiều điện tích hơn và có độ linh động lớn hơn các electron đơn lẻ khuếch tán từ YBCO vào vùng kim loại, các nguyên tử tích điện dương bị bỏ lại phía sau, tạo ra một điện trường trong vùng điện tích không gian. Hướng của điện trường này được thể hiện trong sơ đồ nguyên lý Hình 1d. Sự chiếu sáng photon tới gần vùng điện tích không gian có thể tạo ra các cặp eh sẽ bị tách ra và quét ra ngoài, tạo ra dòng quang điện theo hướng phân cực ngược. Ngay khi các electron thoát ra khỏi điện trường tích hợp, chúng sẽ ngưng tụ thành từng cặp và chảy sang điện cực kia mà không có điện trở. Trong trường hợp này, Voc ngược với cực được đặt trước và hiển thị giá trị âm khi chùm tia laser hướng vào khu vực xung quanh điện cực âm. Từ giá trị của Voc, có thể ước tính điện thế trên giao diện: khoảng cách giữa hai dây dẫn điện áp d là ~ 5 × 10−3 m, độ dày của giao diện siêu dẫn kim loại, di, phải có cùng độ lớn là chiều dài kết hợp của chất siêu dẫn YBCO (~1 nm)19,20, lấy giá trị Voc = 0,03 mV, thế Vms tại giao diện kim loại-siêu dẫn được đánh giá là ~10−11 V ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2, sử dụng phương trình,
Chúng tôi muốn nhấn mạnh ở đây rằng điện áp gây ra bởi ảnh không thể giải thích được bằng hiệu ứng nhiệt của ảnh. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng hệ số Seebeck của chất siêu dẫn YBCO là Ss = 021. Hệ số Seebeck đối với dây dẫn đồng nằm trong khoảng SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Nhiệt độ của dây đồng tại điểm laser có thể tăng lên một lượng nhỏ 0,06 K với cường độ laser tối đa có được là 50 K. Điều này có thể tạo ra một thế nhiệt điện 6,9 × 10−8 V nhỏ hơn ba bậc so với Voc thu được trong Hình 1 (a). Rõ ràng là hiệu ứng nhiệt điện quá nhỏ để giải thích kết quả thí nghiệm. Trên thực tế, sự thay đổi nhiệt độ do chiếu xạ laser sẽ biến mất trong vòng chưa đầy một phút nên có thể bỏ qua sự đóng góp của hiệu ứng nhiệt một cách an toàn.
Hiệu ứng quang điện này của YBCO ở nhiệt độ phòng cho thấy ở đây có liên quan đến một cơ chế phân tách điện tích khác. YBCO siêu dẫn ở trạng thái bình thường là vật liệu loại p có lỗ làm hạt mang điện22,23, trong khi keo Ag kim loại có các đặc tính của vật liệu loại n. Tương tự như các điểm nối pn, sự khuếch tán của các electron trong miếng dán bạc và các lỗ trống trên gốm YBCO sẽ tạo thành một điện trường bên trong hướng vào gốm YBCO tại giao diện (Hình 1h). Chính trường bên trong này cung cấp lực phân tách và dẫn đến Voc dương và Isc âm cho hệ thống dán YBCO-Ag ở nhiệt độ phòng, như trong Hình 1e. Ngoài ra, Ag-YBCO có thể tạo thành một điểm nối Schottky loại p, điều này cũng dẫn đến điện thế giao diện có cùng độ phân cực như trong mô hình được trình bày ở trên24.
Để nghiên cứu quá trình tiến hóa chi tiết của các đặc tính quang điện trong quá trình chuyển đổi siêu dẫn của YBCO, các đường cong IV của mẫu ở 80 K được đo bằng cường độ laser chọn lọc chiếu sáng ở điện cực catốt (Hình 2). Nếu không chiếu xạ laser, điện áp trên mẫu giữ ở mức 0 bất kể dòng điện, biểu thị trạng thái siêu dẫn của mẫu ở 80 K (Hình 2a). Tương tự như dữ liệu thu được ở 50 K, các đường cong IV song song với trục I di chuyển xuống dưới với cường độ laser tăng dần cho đến khi đạt đến giá trị tới hạn Pc. Trên cường độ laser tới hạn (Pc) này, chất siêu dẫn trải qua quá trình chuyển đổi từ pha siêu dẫn sang pha điện trở; điện áp bắt đầu tăng theo dòng điện do xuất hiện điện trở trong chất siêu dẫn. Kết quả là, đường cong IV bắt đầu giao nhau với trục I và trục V dẫn đến Voc âm và Isc dương lúc đầu. Bây giờ mẫu dường như đang ở trạng thái đặc biệt trong đó cực tính của Voc và Isc cực kỳ nhạy cảm với cường độ ánh sáng; với cường độ ánh sáng tăng rất nhỏ, Isc được chuyển đổi từ dương sang âm và Voc từ giá trị âm sang dương, đi qua điểm gốc (độ nhạy cao của các đặc tính quang điện, đặc biệt là giá trị của Isc, đối với ánh sáng chiếu sáng có thể được thấy rõ hơn trong Hình 2). 2b). Ở cường độ laser cao nhất hiện có, các đường cong IV có xu hướng song song với nhau, biểu thị trạng thái bình thường của mẫu YBCO.
Tâm điểm laser được định vị xung quanh các điện cực catốt (xem Hình 1i). a, Đường cong IV của YBCO được chiếu xạ với cường độ laser khác nhau. b (trên cùng), Sự phụ thuộc cường độ laser của điện áp mạch hở Voc và dòng điện ngắn mạch Isc. Không thể thu được giá trị Isc ở cường độ ánh sáng thấp (< 110 mW/cm2) vì đường cong IV song song với trục I khi mẫu ở trạng thái siêu dẫn. b (phía dưới), điện trở chênh lệch là hàm của cường độ laser.
Sự phụ thuộc cường độ laser của Voc và Isc ở 80 K được thể hiện trong Hình 2b (trên cùng). Các đặc tính quang điện có thể được thảo luận ở ba vùng cường độ ánh sáng. Vùng thứ nhất nằm giữa 0 và Pc, trong đó YBCO là siêu dẫn, Voc âm và giảm (giá trị tuyệt đối tăng) theo cường độ ánh sáng và đạt cực tiểu tại Pc. Vùng thứ hai là từ Pc đến cường độ tới hạn khác P0, trong đó Voc tăng trong khi Isc giảm khi cường độ ánh sáng tăng và cả hai đều đạt 0 tại P0. Vùng thứ ba ở trên P0 cho đến khi đạt được trạng thái bình thường của YBCO. Mặc dù cả Voc và Isc đều thay đổi theo cường độ ánh sáng giống như ở vùng 2, nhưng chúng có cực tính ngược nhau trên cường độ tới hạn P0. Tầm quan trọng của P0 nằm ở chỗ không có hiệu ứng quang điện và cơ chế phân tách điện tích thay đổi về chất tại điểm cụ thể này. Mẫu YBCO trở nên không siêu dẫn trong phạm vi cường độ ánh sáng này nhưng vẫn chưa đạt được trạng thái bình thường.
Rõ ràng, các đặc tính quang điện của hệ thống có liên quan chặt chẽ đến tính siêu dẫn của YBCO và quá trình chuyển đổi siêu dẫn của nó. Điện trở chênh lệch, dV/dI, của YBCO được hiển thị trong Hình 2b (phía dưới) là hàm của cường độ laser. Như đã đề cập trước đó, điện thế tích hợp trong bề mặt phân cách do cặp Cooper khuếch tán điểm từ chất siêu dẫn sang kim loại. Tương tự như quan sát ở 50 K, hiệu ứng quang điện được tăng cường khi tăng cường độ laser từ 0 đến Pc. Khi cường độ laser đạt đến giá trị cao hơn Pc một chút, đường cong IV bắt đầu nghiêng và điện trở của mẫu bắt đầu xuất hiện, nhưng độ phân cực của điện thế giao diện vẫn chưa thay đổi. Ảnh hưởng của kích thích quang học đến tính siêu dẫn đã được nghiên cứu ở vùng nhìn thấy hoặc vùng gần IR. Trong khi quá trình cơ bản là phá vỡ các cặp Cooper và phá hủy tính siêu dẫn25,26, thì trong một số trường hợp, quá trình chuyển đổi siêu dẫn có thể được tăng cường27,28,29, thậm chí có thể tạo ra các pha mới của tính siêu dẫn30. Sự vắng mặt của tính siêu dẫn ở Pc có thể được cho là do sự phá vỡ cặp do ảnh gây ra. Tại điểm P0, điện thế trên mặt phân cách trở thành 0, biểu thị mật độ điện tích ở cả hai phía của mặt phân cách đạt cùng mức dưới cường độ chiếu sáng đặc biệt này. Cường độ tia laser tăng thêm dẫn đến nhiều cặp Cooper bị phá hủy hơn và YBCO dần dần biến đổi trở lại vật liệu loại p. Thay vì khuếch tán cặp electron và Cooper, đặc điểm của giao diện hiện được xác định bằng khuếch tán electron và lỗ trống dẫn đến sự đảo ngược cực của điện trường trong giao diện và do đó là Voc dương (so sánh Hình.1d, h). Ở cường độ laser rất cao, điện trở chênh lệch của YBCO bão hòa đến một giá trị tương ứng với trạng thái bình thường và cả Voc và Isc đều có xu hướng thay đổi tuyến tính theo cường độ laser (Hình 2b). Quan sát này cho thấy chiếu xạ laser ở trạng thái bình thường YBCO sẽ không còn làm thay đổi điện trở suất và tính chất của bề mặt tiếp xúc kim loại - siêu dẫn mà chỉ làm tăng nồng độ của các cặp electron-lỗ trống.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất quang điện, hệ thống chất siêu dẫn kim loại được chiếu xạ ở cực âm bằng tia laser xanh có cường độ 502 mW/cm2. Đường cong IV thu được ở nhiệt độ đã chọn trong khoảng từ 50 đến 300 K được đưa ra trong Hình 3a. Điện áp mạch hở Voc, dòng điện ngắn mạch Isc và điện trở vi sai sau đó có thể thu được từ các đường cong IV này và được hiển thị trong Hình 3b. Nếu không có ánh sáng chiếu vào, tất cả các đường cong IV được đo ở các nhiệt độ khác nhau đều vượt qua điểm gốc như mong đợi (hình 3a). Các đặc tính IV thay đổi mạnh mẽ khi nhiệt độ tăng lên khi hệ thống được chiếu sáng bởi chùm tia laser tương đối mạnh (502 mW/cm2). Ở nhiệt độ thấp, đường IV là những đường thẳng song song với trục I có giá trị Voc âm. Đường cong này di chuyển lên trên khi nhiệt độ ngày càng tăng và dần dần biến thành một đường có độ dốc khác 0 ở nhiệt độ tới hạn Tcp (Hình 3a (trên cùng)). Có vẻ như tất cả các đường đặc tính IV đều xoay quanh một điểm trong góc phần tư thứ ba. Voc tăng từ giá trị âm sang giá trị dương trong khi Isc giảm từ giá trị dương sang giá trị âm. Trên nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn ban đầu Tc của YBCO, đường cong IV thay đổi khá khác nhau theo nhiệt độ (đáy của Hình 3a). Đầu tiên, tâm quay của đường IV di chuyển đến góc phần tư thứ nhất. Thứ hai, Voc tiếp tục giảm và Isc tăng khi nhiệt độ tăng (đầu Hình 3b). Thứ ba, độ dốc của đường cong IV tăng tuyến tính theo nhiệt độ dẫn đến hệ số cản nhiệt độ dương đối với YBCO (đáy của Hình 3b).
Sự phụ thuộc nhiệt độ của các đặc tính quang điện đối với hệ thống dán YBCO-Ag dưới ánh sáng laser 502 mW/cm2.
Tâm điểm laser được định vị xung quanh các điện cực catốt (xem Hình 1i). a, Đường cong IV thu được từ 50 đến 90 K (trên cùng) và từ 100 đến 300 K (dưới) với mức tăng nhiệt độ lần lượt là 5 K và 20 K. Hình nhỏ a cho thấy các đặc tính IV ở một số nhiệt độ trong bóng tối. Tất cả các đường cong đi qua điểm gốc. b, điện áp hở mạch Voc và dòng điện ngắn mạch Isc (trên cùng) và điện trở vi sai, dV/dI, của YBCO (phía dưới) là hàm của nhiệt độ. Nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn điện trở bằng 0 Tcp không được đưa ra vì nó quá gần với Tc0.
Ba nhiệt độ tới hạn có thể được nhận ra từ Hình 3b: Tcp, trên đó YBCO trở nên không siêu dẫn; Tc0, tại đó cả Voc và Isc đều bằng 0 và Tc, nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn ban đầu của YBCO mà không chiếu xạ laser. Dưới Tcp ~ 55 K, YBCO được chiếu xạ bằng laser ở trạng thái siêu dẫn với nồng độ cặp Cooper tương đối cao. Tác dụng của chiếu xạ laser là làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn điện trở bằng 0 từ 89 K xuống ~ 55 K (đáy Hình 3b) bằng cách giảm nồng độ cặp Cooper ngoài việc tạo ra điện áp và dòng điện quang điện. Nhiệt độ tăng cũng làm phá vỡ các cặp Cooper dẫn đến điện thế trong bề mặt phân cách thấp hơn. Do đó, giá trị tuyệt đối của Voc sẽ trở nên nhỏ hơn, mặc dù áp dụng cùng cường độ chiếu sáng laser. Điện thế giao diện sẽ ngày càng nhỏ hơn khi nhiệt độ tăng hơn nữa và đạt tới 0 tại Tc0. Không có hiệu ứng quang điện tại điểm đặc biệt này vì không có từ trường bên trong để phân tách các cặp electron-lỗ trống cảm ứng ảnh. Sự đảo ngược cực tính của điện thế xảy ra trên nhiệt độ tới hạn này do mật độ điện tích tự do trong bột Ag lớn hơn mật độ trong YBCO, mật độ này dần dần được chuyển trở lại vật liệu loại p. Ở đây chúng tôi muốn nhấn mạnh rằng sự đảo ngược cực của Voc và Isc xảy ra ngay sau quá trình chuyển đổi siêu dẫn điện trở bằng 0, bất kể nguyên nhân của quá trình chuyển đổi. Quan sát này lần đầu tiên cho thấy rõ ràng mối tương quan giữa tính siêu dẫn và hiệu ứng quang điện liên quan đến thế năng bề mặt tiếp xúc kim loại-siêu dẫn. Bản chất của thế năng này trên bề mặt kim loại thông thường-siêu dẫn đã là trọng tâm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua nhưng vẫn còn rất nhiều câu hỏi đang chờ câu trả lời. Đo hiệu ứng quang điện có thể được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để khám phá các chi tiết (chẳng hạn như cường độ và độ phân cực của nó, v.v.) của điện thế quan trọng này và từ đó làm sáng tỏ hiệu ứng lân cận siêu dẫn nhiệt độ cao.
Nhiệt độ tăng thêm từ Tc0 đến Tc dẫn đến nồng độ cặp Cooper nhỏ hơn và sự tăng cường tiềm năng giao diện và do đó Voc lớn hơn. Tại Tc, nồng độ cặp Cooper trở thành 0 và điện thế tích hợp tại bề mặt phân cách đạt mức tối đa, dẫn đến Voc tối đa và Isc tối thiểu. Sự tăng nhanh của Voc và Isc (giá trị tuyệt đối) trong phạm vi nhiệt độ này tương ứng với quá trình chuyển đổi siêu dẫn được mở rộng từ ΔT ~ 3 K đến ~ 34 K bằng chiếu xạ laser có cường độ 502 mW/cm2 (Hình 3b). Ở trạng thái bình thường trên Tc, điện áp mạch hở Voc giảm theo nhiệt độ (đầu Hình 3b), tương tự như hành vi tuyến tính của Voc đối với pin mặt trời thông thường dựa trên các mối nối pn31,32,33. Mặc dù tốc độ thay đổi của Voc theo nhiệt độ (−dVoc/dT), phụ thuộc nhiều vào cường độ laser, nhỏ hơn nhiều so với pin mặt trời thông thường, hệ số nhiệt độ của Voc đối với tiếp giáp YBCO-Ag có cùng độ lớn như vậy của pin mặt trời. Dòng rò của điểm nối pn đối với thiết bị pin mặt trời thông thường tăng khi nhiệt độ tăng, dẫn đến giảm Voc khi nhiệt độ tăng. Các đường cong IV tuyến tính được quan sát cho hệ thống siêu dẫn Ag này, trước hết là do tiềm năng giao diện rất nhỏ và thứ hai là kết nối ngược của hai dị vòng, gây khó khăn cho việc xác định dòng điện rò rỉ. Tuy nhiên, rất có thể sự phụ thuộc nhiệt độ tương tự của dòng rò là nguyên nhân gây ra hành vi Voc quan sát được trong thí nghiệm của chúng tôi. Theo định nghĩa, Isc là dòng điện cần thiết để tạo ra điện áp âm bù Voc sao cho tổng điện áp bằng không. Khi nhiệt độ tăng, Voc trở nên nhỏ hơn nên cần ít dòng điện hơn để tạo ra điện áp âm. Hơn nữa, điện trở của YBCO tăng tuyến tính với nhiệt độ trên Tc (phần dưới của Hình 3b), điều này cũng góp phần làm cho giá trị tuyệt đối của Isc nhỏ hơn ở nhiệt độ cao.
Lưu ý rằng kết quả trong Hình 2.3 thu được bằng cách chiếu tia laser vào khu vực xung quanh các điện cực catốt. Các phép đo cũng được lặp lại với điểm laser được định vị ở cực dương và các đặc tính IV và đặc tính quang điện tương tự đã được quan sát ngoại trừ cực tính của Voc và Isc đã bị đảo ngược trong trường hợp này. Tất cả những dữ liệu này dẫn đến một cơ chế cho hiệu ứng quang điện, có liên quan chặt chẽ đến bề mặt tiếp xúc kim loại-siêu dẫn.
Tóm lại, các đặc tính IV của hệ thống dán YBCO-Ag siêu dẫn được chiếu xạ bằng laser đã được đo bằng các hàm của nhiệt độ và cường độ laser. Hiệu ứng quang điện đáng chú ý đã được quan sát thấy trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 300 K. Người ta thấy rằng các đặc tính quang điện có mối tương quan chặt chẽ với tính siêu dẫn của gốm YBCO. Sự đảo ngược cực tính của Voc và Isc xảy ra ngay sau quá trình chuyển đổi từ siêu dẫn cảm ứng ảnh sang chuyển tiếp không siêu dẫn. Sự phụ thuộc nhiệt độ của Voc và Isc được đo ở cường độ laser cố định cũng cho thấy sự đảo ngược cực rõ rệt ở nhiệt độ tới hạn mà trên đó mẫu trở thành điện trở. Bằng cách định vị điểm laser đến phần khác của mẫu, chúng tôi cho thấy rằng tồn tại một điện thế trên bề mặt phân cách, cung cấp lực phân tách cho các cặp lỗ electron-lỗ trống cảm ứng ảnh. Điện thế bề mặt này hướng từ YBCO đến điện cực kim loại khi YBCO siêu dẫn và chuyển sang hướng ngược lại khi mẫu trở nên không siêu dẫn. Nguồn gốc của điện thế có thể liên quan một cách tự nhiên với hiệu ứng lân cận tại bề mặt tiếp xúc siêu dẫn kim loại khi YBCO là chất siêu dẫn và được ước tính là ~10−8 mV ở 50 K với cường độ laser là 502 mW/cm2. Sự tiếp xúc của vật liệu loại p YBCO ở trạng thái bình thường với vật liệu loại n Ag-paste tạo thành một điểm nối gần như pn chịu trách nhiệm cho hoạt động quang điện của gốm YBCO ở nhiệt độ cao. Các quan sát trên đã làm sáng tỏ hiệu ứng PV trong gốm YBCO siêu dẫn nhiệt độ cao và mở đường cho các ứng dụng mới trong các thiết bị quang điện tử như máy dò ánh sáng thụ động nhanh và máy dò photon đơn.
Các thí nghiệm về hiệu ứng quang điện được thực hiện trên mẫu gốm YBCO có độ dày 0,52 mm và hình chữ nhật 8,64 × 2,26 mm2 và được chiếu sáng bằng tia laser xanh sóng liên tục (λ = 450 nm) với kích thước điểm laser có bán kính 1,25 mm. Sử dụng mẫu số lượng lớn thay vì mẫu màng mỏng cho phép chúng tôi nghiên cứu các đặc tính quang điện của chất siêu dẫn mà không phải đối mặt với ảnh hưởng phức tạp của chất nền6,7. Hơn nữa, vật liệu rời có thể có lợi cho quy trình chuẩn bị đơn giản và chi phí tương đối thấp. Các dây dẫn đồng được kết dính trên mẫu YBCO bằng keo bạc tạo thành bốn điện cực tròn có đường kính khoảng 1 mm. Khoảng cách giữa hai điện cực điện áp là khoảng 5 mm. Đặc tính IV của mẫu được đo bằng từ kế mẫu rung (VersaLab, Quantum Design) với cửa sổ tinh thể thạch anh. Phương pháp bốn dây tiêu chuẩn được sử dụng để thu được đường cong IV. Vị trí tương đối của các điện cực và điểm laser được thể hiện trong Hình 1i.
Cách trích dẫn bài viết này: Yang, F. et al. Nguồn gốc hiệu ứng quang điện trong gốm siêu dẫn YBa2Cu3O6.96. Khoa học. Dân biểu 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Điện áp cảm ứng do tia laser cấm đối xứng trong YBa2Cu3O7. Vật lý. Mục sư B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Nguồn gốc của tín hiệu quang điện dị thường ở Y-Ba-Cu-O. Vật lý. Mục sư B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Đo điện áp cảm ứng bằng laser của vật liệu siêu dẫn Bi-Sr-Ca-Cu-O. Vật lý. Mục sư B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL và cộng sự. Điện áp tạm thời do tia laser gây ra trong màng nhiệt độ phòng của YBa2Cu3O7-x. J. Ứng dụng. Vật lý. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Phản ứng quang điện bất thường ở YBa2Cu3O7. Vật lý. Mục sư B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Tiêm chất mang lỗ quang được tạo ra vào YBa2Cu3O7−x trong cấu trúc dị thể oxit. ứng dụng. Vật lý. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. và cộng sự. Nghiên cứu hiện tượng quang phát của màng mỏng YBa2Cu3Oy dưới ánh sáng chiếu sáng. Vật lý. Linh mục Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. và cộng sự. Hiệu ứng quang điện của YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb dị tiếp xúc được ủ ở áp suất riêng phần oxy khác nhau. Mẹ ơi. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA và cộng sự. Cấu trúc hai khe trong tinh thể đơn Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Siêu dẫn. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Động lực thư giãn quasiparticle trong chất siêu dẫn với các cấu trúc khe hở khác nhau: Lý thuyết và thí nghiệm trên YBa2Cu3O7-δ. Vật lý. Linh mục B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Chỉnh lưu các đặc tính của tiếp xúc dị thể YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. ứng dụng. Vật lý. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonic hấp thụ và siêu dẫn trong YBa2Cu3O7-δ . Vật lý. Linh mục Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Độ dẫn quang cảm ứng tạm thời trong các tinh thể đơn bán dẫn YBa2Cu3O6.3: tìm kiếm trạng thái kim loại cảm ứng quang và tính siêu dẫn quang cảm ứng. Cộng đồng Nhà nước vững chắc. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Mô hình đường hầm của hiệu ứng lân cận siêu dẫn. Vật lý. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. và cộng sự. Hiệu ứng lân cận siêu dẫn được thăm dò trên thang đo chiều dài siêu âm Vật lý. Linh mục Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Hiệu ứng tiệm cận với chất siêu dẫn không đối xứng. Vật lý. Mục sư B 86, 17514 (2012).
Qu, FM và cộng sự. Hiệu ứng lân cận siêu dẫn mạnh trong cấu trúc lai Pb-Bi2Te3. Khoa học. Dân biểu 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Một tế bào quang tiếp xúc silicon pn mới để chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. J. Ứng dụng. Vật lý. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Ảnh hưởng của tạp chất đến độ dài kết hợp siêu dẫn trong các tinh thể đơn YBa2Cu3O6.9 pha tạp Zn hoặc Ni. Vật lý. Mục sư B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Độ kháng từ của các tinh thể đơn YBa2Cu3Oy chưa kết hợp trong một phạm vi pha tạp rộng: sự phụ thuộc pha tạp lỗ dị thường của độ dài kết hợp. Vật lý. Linh mục Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematics về năng lượng nhiệt điện của oxit T cao. Vật lý. Linh mục B 46, 14928–14931, (1992).
SUGAI, S. và cộng sự. Sự dịch chuyển động lượng phụ thuộc vào mật độ sóng mang của đỉnh kết hợp và chế độ phonon LO trong chất siêu dẫn Tc cao loại p. Vật lý. Mục sư B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. và cộng sự. Sự khử lỗ trống và tích lũy electron trong màng mỏng YBa2Cu3Oy sử dụng kỹ thuật điện hóa: Bằng chứng về trạng thái kim loại loại n. Vật lý. Mục sư B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Vật lý và hóa học của chiều cao rào cản Schottky. ứng dụng. Vật lý. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Ảnh hưởng của sự phá vỡ cặp động bên ngoài trong màng siêu dẫn. Vật lý. Linh mục Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. và cộng sự. Tăng cường quang hóa của tính siêu dẫn. ứng dụng. Vật lý. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI và cộng sự. Tính quang dẫn bền vững trong màng YBa2Cu3O6+x là một phương pháp quang dẫn tới các pha kim loại và siêu dẫn. Vật lý. Mục sư B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. và cộng sự. Động lực học mạng phi tuyến làm cơ sở cho việc tăng cường tính siêu dẫn ở YBa2Cu3O6.5. Thiên nhiên 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. và cộng sự. Tính siêu dẫn do ánh sáng gây ra trong cuprate có trật tự sọc. Khoa học 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Sự phụ thuộc chức năng nhiệt độ của VOC đối với pin mặt trời liên quan đến phương pháp tiếp cận mới về hiệu quả của nó. Khử muối 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Hiệu ứng nhiệt độ trong pin mặt trời silicon có rào cản Schottky. ứng dụng. Vật lý. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Sự phụ thuộc nhiệt độ đối với các thông số thiết bị quang điện của pin mặt trời polyme-fullerene trong điều kiện vận hành. J. Ứng dụng. Vật lý. 90, 5343–5350 (2002).
Công trình này đã được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc (Số tài trợ 60571063), Dự án nghiên cứu cơ bản của tỉnh Hà Nam, Trung Quốc (Số tài trợ 122300410231).
FY đã viết nội dung của bài báo và MYH đã chuẩn bị mẫu gốm YBCO. FY và MYH đã thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả. FGC dẫn đầu dự án và giải thích dữ liệu một cách khoa học. Tất cả các tác giả đã xem xét bản thảo.
Tác phẩm này được cấp phép theo Giấy phép Quốc tế Creative Commons Ghi công 4.0. Các hình ảnh hoặc tài liệu khác của bên thứ ba trong bài viết này được bao gồm trong giấy phép Creative Commons của bài viết, trừ khi có quy định khác trong hạn mức tín dụng; nếu tài liệu không được đưa vào giấy phép Creative Commons, người dùng sẽ cần phải xin phép người giữ giấy phép để sao chép tài liệu. Để xem bản sao của giấy phép này, hãy truy cập http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Nguồn gốc của hiệu ứng quang điện trong gốm sứ YBa2Cu3O6.96 siêu dẫn. Đại diện khoa học 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Bằng cách gửi nhận xét, bạn đồng ý tuân theo Điều khoản và Nguyên tắc cộng đồng của chúng tôi. Nếu bạn thấy nội dung nào đó lạm dụng hoặc không tuân thủ các điều khoản hoặc nguyên tắc của chúng tôi, vui lòng gắn cờ nội dung đó là không phù hợp.
Thời gian đăng: 22-04-2020